數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)

1、目錄摘要.Abstract.第1章 緒論.11.1技術(shù)發(fā)展.11.2本課題研究?jī)?nèi)容.1第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì).22.1任務(wù)分析.22.2三種方案比較.22.3方案選擇.4第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).53.1總體框圖.53.2單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇.6 3.2.1時(shí)基信號(hào)產(chǎn)生及分頻電路.6 3.2.2放大整形電路.8 3.2.3計(jì)數(shù)譯碼顯示電路.9 3.2.4邏輯控制電路.103.2.5自動(dòng)換檔電路.113.2.6小數(shù)點(diǎn)及指示燈譯碼顯示電路.12第4章 系統(tǒng)調(diào)試.134.1測(cè)試儀表.134.2單元電路測(cè)試.134.3系統(tǒng)總體測(cè)試.134.4指標(biāo)測(cè)試分析與改進(jìn)方法.14總結(jié).15致謝.16參考文獻(xiàn).17附

2、錄.18 摘要在結(jié)束電子技術(shù)基礎(chǔ)的數(shù)電部分和模電部分的課程后，制作簡(jiǎn)易的數(shù)字頻率計(jì)是相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生必須掌握和實(shí)踐的一項(xiàng)基本技能。運(yùn)用已有的數(shù)電知識(shí)和模電知識(shí)，靈活地運(yùn)用集成芯片和器件，搭建數(shù)字頻率計(jì)的硬件模型，再經(jīng)過(guò)具體地調(diào)試，基本實(shí)現(xiàn)從待測(cè)信號(hào)的放大整形，計(jì)數(shù)到譯碼顯示。其中還包括閘門(mén)信號(hào)的產(chǎn)生及分頻和邏輯控制電路的設(shè)計(jì)。采用分模塊設(shè)計(jì)和調(diào)試的方法，確保數(shù)字頻率計(jì)的各項(xiàng)功能指標(biāo)。在此次課程設(shè)計(jì)中主要用到了時(shí)序電路，其中時(shí)序電路以單穩(wěn)態(tài)電路，D觸發(fā)器為主，其次，計(jì)數(shù)及分頻部分用到了十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS90和CD4518芯片，譯碼電路用到了74LS138和CD4511芯片，擴(kuò)展電路用到了74LS1

3、92芯片。通過(guò)此次的課程設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)易的數(shù)字頻率計(jì)能夠很快地被做成并實(shí)現(xiàn)測(cè)量方波，三角波，正弦波等信號(hào)的頻率，并具有自動(dòng)換擋和指示量程的功能。關(guān)鍵詞：電子技術(shù)；頻率計(jì)；數(shù)電；時(shí)序電路；課程設(shè)計(jì)AbstractAt the end of learning "Electronic Technology"，including digital circuit and analog circuit part, making a simple digital frequency meter is a basic skill that the students must master. Us

4、e existing knowledge of digital circuits and analog circuits knowledge, flexibly using integrated chips and devices, building a hardware model of the digital frequency meter, then through specific debugging, basically display from the measured signal amplification shaping, counting to decode .And al

5、so includes the design of producing and dividing a logic control circuit gate signal. The method uses modular design and commissioning, and ensure the digital frequency meter function parameters. In this course the main design use the timing circuit, including the monostable circuit and D flip-flop,

6、 followed by counting and dividing section which uses decimal counter 74LS90 and CD4518 chips, 74LS138 and CD4511 chips used in the decoding circuit , 74LS192 chip used in the expansion of the circuit . Through this curriculum design, simple digital frequency meter can be made and implemented quickl

7、y to measure the frequency of square wave ,triangle wave, sine wave signal and automatically indicates and shifts the rang of measurement.Keywords:Electronic Technology ;frequency meter ;digital circuit;timing circuit;curriculum designIII第1章 緒論1.1技術(shù)發(fā)展隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各類(lèi)分立電子元件及其所構(gòu)成的相關(guān)功能單元，已逐步被功能更強(qiáng)大、性能更穩(wěn)定、

8、使用更方便的集成芯片所取代。由集成芯片和一些外圍電路構(gòu)成的各種自動(dòng)控制、自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)顯示電路遍及各種電子產(chǎn)品和設(shè)備。數(shù)字系統(tǒng)和數(shù)字設(shè)備已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，更新?lián)Q代速度可謂日新月異。在電子系統(tǒng)非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，到處可見(jiàn)到處理離散信息的數(shù)字電路。供消費(fèi)用的微波爐和電視、先進(jìn)的工業(yè)控制系統(tǒng)、空間通訊系統(tǒng)、交通控制雷達(dá)系統(tǒng)、醫(yī)院急救系統(tǒng)等在設(shè)計(jì)過(guò)程中無(wú)一不用到數(shù)字技術(shù)。數(shù)字電路制造工業(yè)的進(jìn)步，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的功能，從而提高系統(tǒng)可靠性和速度。 數(shù)字頻率計(jì)是現(xiàn)代通信測(cè)量設(shè)備系統(tǒng)中不可缺少的測(cè)量?jī)x器，不但要求電路產(chǎn)生頻率準(zhǔn)確的和穩(wěn)定度高的信號(hào)，而且能方便的改變頻率。 數(shù)字頻

9、率計(jì)主要實(shí)現(xiàn)方法有直接式、鎖相式、直接數(shù)字式和混合式四種。 直接式的優(yōu)點(diǎn)是速度快、相位噪聲低，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、雜散多，一般只應(yīng)用在地面雷達(dá)中。 鎖相式的優(yōu)點(diǎn)是相位同步的自動(dòng)控制，制作頻率高，功耗低，容易實(shí)現(xiàn)系列化、小型化、模塊化和工程化。 直接數(shù)字式的優(yōu)點(diǎn)是電路穩(wěn)定、精度高、容易實(shí)現(xiàn)系列化、小型化、模塊化和工程化。 隨著單片鎖相式數(shù)字頻率計(jì)的發(fā)展，鎖相式和數(shù)字式容易實(shí)現(xiàn)系列化、小型化、模塊化和工程化，性能也越來(lái)越好，已逐步成為兩種最為典型，用處最為廣泛的數(shù)字頻率計(jì)。1.2本課題研究?jī)?nèi)容 本次課程設(shè)計(jì)以教學(xué)為主，目的在于通過(guò)制作純硬件實(shí)現(xiàn)的數(shù)字頻率計(jì)，使大學(xué)生對(duì)電子技術(shù)基礎(chǔ)這門(mén)課程有著更接近實(shí)踐的了

10、解，從而培養(yǎng)電子信息專(zhuān)業(yè)學(xué)生的電路分析設(shè)計(jì)能力，對(duì)基本元器件的使用和調(diào)試技巧，和對(duì)整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)查錯(cuò)和排錯(cuò)的能力。數(shù)字頻率計(jì)正好包含了幾乎所有的電子技術(shù)的基礎(chǔ)，整個(gè)電路是一個(gè)時(shí)序電路。分支有十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，數(shù)碼譯碼顯示電路，單穩(wěn)態(tài)電路，分頻電路，三極管放大電路和有遲滯效應(yīng)的整形電路。同時(shí)，數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)比較靈活，在元器件上的選擇的不同會(huì)導(dǎo)致精度和穩(wěn)度上的差異，并鼓勵(lì)創(chuàng)新。第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1任務(wù)分析2.1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一數(shù)字頻率計(jì)2.1.2 基本要求1、測(cè)頻范圍：1Hz10MHz，為保證測(cè)量精度，分為三個(gè)頻段： 1Hz-999Hz 1kHz-999kHz 1MHz-10MH

11、z當(dāng)信號(hào)頻率超過(guò)規(guī)定的頻率上限時(shí)，設(shè)有超量程指示。量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換，量程顯示用二極管指示（Hz，kHz，MHz）。2、輸入波形：函數(shù)發(fā)生器輸出正弦波，信號(hào)幅度（峰值）10mV3V3、測(cè)量誤差小于±1%;4、顯示結(jié)果用三位共陰數(shù)碼管顯示，最高位顯示為有效數(shù)值，小數(shù)點(diǎn)可自動(dòng)移動(dòng)顯示。2.1.3課程設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)要點(diǎn)1、根據(jù)任務(wù)書(shū)，學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)；2、掌握儀器使用方法與測(cè)試技巧3、掌握電路測(cè)試方法，杜絕裝-拆-再裝-再拆，碰到故障，必須找到故障原因，排除故障。4、學(xué)會(huì)繪圖、word排版。2.2三種方案比較2.2.1方案一 頻率計(jì)定時(shí)時(shí)間1s可以通過(guò)555定時(shí)器和電容、電阻構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生1000HZ的

12、脈沖，再進(jìn)行分頻成1HZ即周期為1s的脈沖，再通過(guò)T觸發(fā)器把脈沖正常高電平為1s；放大整形電路通過(guò)與非門(mén)，非門(mén)和二極管組成；閘門(mén)電路用一個(gè)與門(mén)，只有在定時(shí)脈沖為高電平時(shí)輸入信號(hào)才能通過(guò)與門(mén)進(jìn)入計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)；計(jì)數(shù)電路可以通過(guò)5個(gè)十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器組成，計(jì)數(shù)器再將計(jì)的脈沖個(gè)數(shù)通過(guò)鎖存器進(jìn)行穩(wěn)定最后通過(guò)4個(gè)LED數(shù)碼顯像管顯示出來(lái)。 網(wǎng)上設(shè)計(jì)的頻率計(jì)普遍采用此方法。2.2.2 方案二固定閘門(mén)信號(hào)1s，由555定時(shí)器和電容電阻構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生脈寬1s的脈沖或晶振為32.768KHZ的晶振電路經(jīng)CD4060的14級(jí)2分頻得到2HZ的方波，再經(jīng)4分頻得到1s脈寬的脈沖。閘門(mén)信號(hào)和放大整形后的待測(cè)信號(hào)與非，

13、多次十分頻后接74LS151，再送到計(jì)數(shù)端。用74LS90計(jì)最高位的QD腳的負(fù)跳沿個(gè)數(shù)，用來(lái)控制74LS151的信號(hào)通路，鎖存和清零都由74LS123產(chǎn)生。原理：每次計(jì)數(shù)都是以HZ為單位，超量程時(shí)，最高位由0到9，再9到置數(shù)為1,74LS90輸出控制74LS151選擇，將后面的脈沖10分頻，有就是將最低位乘上10。74LS90同時(shí)控制小數(shù)點(diǎn)和量程的轉(zhuǎn)換，當(dāng)然小數(shù)點(diǎn)和量程指示顯示要加鎖存。計(jì)數(shù)器記錄1s內(nèi)所有的脈沖個(gè)數(shù)，但只保留了最高的3位。欠量程時(shí)有就是100HZ以下時(shí)，將高位的0消隱。（此方法只是個(gè)人想法，具體地電路設(shè)計(jì)還未嘗試）圖2.1 方案二概念圖 2.2.3 方案三 用4MHZ的晶振電

14、路產(chǎn)生4MHZ的基準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)4分頻，多次十分頻，分別得到1MHZ，100kHZ,10kHZ,1kHZ,100HZ,10HZ,1HZ,0.1HZ的頻率接74LS151八選一數(shù)據(jù)選擇器，再經(jīng)D觸發(fā)器2分頻得到1us，10us，100us，1ms，10ms，100ms，1s，10s的閘門(mén)信號(hào)。用74LS123產(chǎn)生鎖存和清零信號(hào)。74LS192作為擴(kuò)展電路控制74LS151和74LS138完成自動(dòng)換擋功能，欠量程和超量程信號(hào)分別有中間位和最高位的進(jìn)位產(chǎn)生。2.3方案選擇通過(guò)這三個(gè)方案的對(duì)比，方案一用的是555定時(shí)器，精度和穩(wěn)度都不高，用的是4位數(shù)碼管顯示，可擴(kuò)展電路過(guò)于簡(jiǎn)單，而且網(wǎng)上多采用這種方案。方

15、案二固定閘門(mén)信號(hào)的脈寬，靈活性太差，每次計(jì)數(shù)顯示等待時(shí)間為2s。小數(shù)點(diǎn)顯示和量程指示都要加鎖存，過(guò)于繁瑣。方案三對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)分頻得到不同的閘門(mén)信號(hào)，靈活性高，計(jì)數(shù)和顯示的時(shí)間可變。擴(kuò)展電路采用74LS192可加可減計(jì)數(shù)器，量程可擴(kuò)展。因此我選擇第三種方案，以下說(shuō)的電路系統(tǒng)框圖和單元電路圖都是以這個(gè)方案展開(kāi)討論的。它們的計(jì)算頻率的原理一樣：圖2.2 頻率計(jì)測(cè)量原理第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1總體框圖圖3.1 系統(tǒng)框圖從這個(gè)總體框圖可以看到，電路被分成了幾個(gè)單元電路，它們有各自的功能，同時(shí)又相互聯(lián)系。我們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以分塊做，同時(shí)也方便測(cè)試和排錯(cuò)。保證每個(gè)模塊功能正常，然后模塊間進(jìn)行拼接，再調(diào)

16、試，最后把所有的連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)。3.2 單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇3.2.1時(shí)基信號(hào)產(chǎn)生及分頻電路圖3.2 晶振電路 本次課程設(shè)計(jì)采用4MHZ的晶振，用于產(chǎn)生4MHZ頻率的基準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)分頻得到不同的閘門(mén)信號(hào)。 圖3.3分頻電路這是一個(gè)分頻電路，基準(zhǔn)信號(hào)最先接入的是CD4518，十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，直接四分頻較困難。它的C腳接在了自身的清零端上，取C腳信號(hào)的正跳沿構(gòu)成四分頻電路。圖3.4用CD4511四分頻 還要說(shuō)明一點(diǎn)：這里采用D觸發(fā)器做2分頻的目的是為了保證脈寬的大小。3.2.2放大整形電路圖3.5放大整形電路說(shuō)明：待測(cè)信號(hào)的幅度較小時(shí)需要放大，一般采用2級(jí)放大，電路中的電阻的阻值根據(jù)

17、都要根據(jù)實(shí)際的靜態(tài)工作點(diǎn)來(lái)調(diào)。此處的整形采用了反相器，也可以用施密特電路，遲滯比較器等等。3.2.3計(jì)數(shù)譯碼顯示電路圖3.6 計(jì)數(shù)譯碼顯示電路說(shuō)明：中間的計(jì)數(shù)器的D腳作為進(jìn)位信號(hào)，控制欠量程信號(hào)C2,最高位的計(jì)數(shù)器D腳作為進(jìn)位信號(hào)控制超量程信號(hào)C1。鎖存和清零信號(hào)有控制電路給出，小數(shù)點(diǎn)顯示由擴(kuò)展電路控制。3.2.4邏輯控制電路圖3.7邏輯控制電路74LS123是一個(gè)單穩(wěn)態(tài)可重復(fù)觸發(fā)芯片，當(dāng)A腳出現(xiàn)負(fù)跳沿時(shí)，Q腳產(chǎn)生一個(gè)脈寬為0.7RC的脈沖。圖3.8信號(hào)時(shí)序圖3.2.5自動(dòng)換擋電路圖3.9擴(kuò)展電路換擋原理：超出量程時(shí)，最高位會(huì)有進(jìn)位產(chǎn)生，會(huì)使D觸發(fā)器工作，輸出Q腳由低電平變成高電平，“1”與鎖

18、存信號(hào)與非，作用74LS192的CPd端，選擇較窄的閘門(mén)。欠量程時(shí)，中間位不會(huì)出現(xiàn)進(jìn)位，D觸發(fā)器不工作，輸出的Q腳保持高電平，“1”與鎖存信號(hào)與非，作用74LS192的CPu端，選擇較寬的閘門(mén)。3.2.6小數(shù)點(diǎn)及指示燈譯碼顯示電路圖3.10小數(shù)點(diǎn)和指示燈顯示電路第4章 系統(tǒng)調(diào)試4.1測(cè)試儀表 測(cè)試用到的儀器：函數(shù)發(fā)生器，雙蹤示波器，5V穩(wěn)壓電源，交流毫伏表，萬(wàn)用表4.2單元電路測(cè)試1、 測(cè)試放大整形時(shí)，用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一定幅值和頻率的正弦波作待測(cè)信號(hào)，用示波器接在整形的輸出上觀測(cè)波形；2、 測(cè)試閘門(mén)信號(hào)時(shí)，將74LS151的C,B,A腳接上特點(diǎn)的電平，依次從000變化到111，用示波器觀察閘門(mén)

19、信號(hào)的脈寬；3、 測(cè)試計(jì)數(shù)譯碼顯示電路時(shí)在計(jì)數(shù)端接函數(shù)發(fā)生器，同時(shí)清零和鎖存都不作用；4、 測(cè)試74LS123的功能，在1A腳接函數(shù)發(fā)生器，用示波器觀察1Q和2Q腳的信號(hào)波形，觀測(cè)波形的脈寬；5、 剩下的擴(kuò)展電路加到整個(gè)系統(tǒng)中，觀察數(shù)碼管的顯示和指示燈的變化；4.3系統(tǒng)總體測(cè)試測(cè)試方法：將單元電路按步驟進(jìn)行拼接，同時(shí)調(diào)試，預(yù)期結(jié)果實(shí)現(xiàn)后再進(jìn)行下一步拼接。4.4指標(biāo)測(cè)試分析與改進(jìn)方法在連接完整個(gè)電路后，測(cè)了20組數(shù)據(jù)如下：輸出頻率170.7Hz324.6Hz572.7Hz723.7Hz878.2Hz測(cè)量頻率200 Hz340Hz581Hz728Hz880Hz輸出頻率974.6Hz1.165kHz

20、1.734kHz2.301kHz3.344kHz測(cè)量頻率975.0Hz1.17kHz1.74kHz2.30kHz3.35kHz輸出頻率6.118kHz9.229kHz10.92kHz52.40kHz94.78kHz測(cè)量頻率6.12kHz9.23kHz11.0kHz52.4kHz94.8kHz輸出頻率115.4kHz765.2kHz947.4kHz1.090MHz1.156MHz測(cè)量頻率116kHz767kHz948kHz1.10MHz1,17MHz最低電壓幅值165mV有效值42mV最高電壓幅值17.4V有效值4V頻率上限值1.150MHz頻率下限值145Hz表4.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄待改進(jìn)的地方：測(cè)低頻時(shí)誤差太大，實(shí)際可測(cè)頻率范圍較小，電壓范圍不夠大；改進(jìn)方法：在元件參數(shù)設(shè)置上，比如放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)要調(diào)到